In ihrer Strategie für nachhaltige und intelligente Mobilität strebt die Europäische Kommission eine Steigerung des Schienengüterverkehrs in Europa um 50 % bis 2030 an.

Um dieses Ziel zu erreichen, werden verschiedene Technologien und Methoden eine wichtige Rolle spielen: Die Digitalisierung und Automatisierung des Schienengüterverkehrs führen zu neuartigen Lösungen mit großer Wirkung, die eine entscheidende Gelegenheit zur Verlagerung des Güterverkehrs von der Straße auf die Schiene bieten.

Digital Automatic Coupling (DAC) wird als “Game-Changer”-Lösung angesehen, als machbarer und effektiver Weg für die Umstellung auf einen vollständig digitalen Schienengüterverkehr in Europa, um die Ziele des Green Deal und des Digitalisierungspakets 2022 zu erreichen. Die Vorteile von DAC erstrecken sich über den gesamten Schienengüterverkehrssektor, von den Eisenbahnunternehmen (EVU) und Infrastrukturbetreibern (IM), einschließlich ihrer Mitarbeiter, bis hin zu den Wagenhaltern (WK), der Gesellschaft und der Umwelt, und bieten letztendlich Vorteile für die Kunden des Schienengüterverkehrs. DAC ermöglicht die Automatisierung, erhöht die Effizienz der Kupplung und die Sicherheit.

DACcelerate zielt darauf ab, das europäische DAC-Delivery-Programm (EDDP) in enger Zusammenarbeit mit allen Interessengruppen zu verwalten und direkt zu unterstützen, während es sich kontinuierlich mit Fachleuten und politischen Entscheidungsträgern auf EU- und Mitgliedstaatebene austauscht. Es wird Strategien, Methoden und Richtlinien für einen erfolgreichen und kosteneffizienten Übergang zu einem vollständig automatisierten und digitalisierten Schienengüterverkehr bereitstellen. Das Projekt veranschaulicht die erforderlichen zukünftigen technologischen Innovationsbausteine und die entsprechend aktualisierten Betriebsverfahren in einer frühen Phase des Einführungs- und Migrationsprozesses. DACcelerate schafft einen Rahmen, der die Identifizierung von Engpässen, die sektorübergreifende Kommunikation zwischen den Beteiligten und die Entwicklung eines konsolidierten Migrationsplans ermöglicht, um die einzelnen Herausforderungen zu bewältigen und gleichzeitig die technischen Vorgehensweisen und Entwicklungen zu harmonisieren. Um diese Aufgaben effizient zu erfüllen, wurden die Bemühungen auf bestehende europäische Strukturen und Aktivitäten mit Relevanz für das EDDP abgestimmt.

Dieser Bericht umfasst das Ergebnis 3.2 mit den Endergebnissen des DACcelerate Working Package (WP) 3 für eine Anforderungsspezifikation für den Digital Automatic Coupler (DAC) einschließlich des elektrischen Energie- und Kommunikationssystems sowie Betriebsregeln für den DAC-Betrieb. Um die Ziele zu erreichen, arbeitet DACcelerate WP3 eng mit EDDP WP1 zusammen.

In DACcelerate WP3 wurde eine Anforderungsspezifikation für den DAC einschließlich des elektrischen Energie- und Kommunikationssystems sowie Betriebsregeln für den DAC-Betrieb im Schienengüterverkehr entwickelt. Um die Ziele zu erreichen, arbeitet DACcelerate WP3 eng mit EDDP WP1 zusammen, an dem 120 Experten aus 59 Unternehmen aus 13 europäischen Ländern beteiligt sind.

In Zusammenarbeit mit EDDP WP1 wurde eine Anforderungsspezifikation für einen DAC (Verriegelungstyp/Scharfenberg Typ 10) und für eine Hybridkupplung (für Lokomotiven) entwickelt. In dieser Spezifikation werden Anforderungen für den mechanischen und pneumatischen Teil der DAC und der Hybridkupplung definiert. Es wurden 88 Anforderungen an die DAC und 26 Anforderungen an die Güterwagen, in die die DAC eingebaut werden soll, festgelegt. Für die Hybridkupplung wurden 82 Anforderungen sowie 17 Anforderungen an die Lokomotiven festgelegt. Die Spezifikationen umfassen u.a. Anforderungen an den Einbau der DAC in Güterwagen und Lokomotiven (Einbauraum), Kraftanforderungen an die DAC (Zug- und Druckkräfte, Dauerfestigkeit), geometrische Abmessungen der DAC, Anforderungen an die pneumatische Verbindung in der DAC sowie an das Energieabsorptionssystem der DAC, wobei verschiedene Kategorien von Zugvorrichtungen definiert wurden.

Die Spezifikation dient als Grundlage für die laufenden Arbeiten zur DAC-Regulierung (ERA) sowie zur DAC-Normung (CEN).

DACcelerate WP3 hat Rahmenbedingungen für die Entwicklung eines elektrischen Energiesystems für Güterzüge definiert. Basierend auf den von EDDP definierten Anwendungsfällen für den intelligenten Güterzug wurden die Anforderungen an das elektrische Energiesystem konsolidiert. Besonderes Augenmerk wurde auf die Bewertung verschiedener Spannungssysteme gelegt. Als Ergebnis wurde den EDDP-Entscheidungsgremien ein 400-VAC-Spannungssystem empfohlen und von ihnen genehmigt. Auf der Grundlage aller oben erwähnten Vorarbeiten wurde ein Pflichtenheft für das elektrische Energiesystem für Güterwagen und Lokomotiven entwickelt.

Das elektrische Energiesystem des Zuges stellt die elektrische Versorgung der elektronischen Komponenten im Güterzug sicher. Das Energiesystem ist in verschiedene Grundelemente gegliedert, die in Abbildung 1 in einer Übersicht dargestellt sind.

Hochrangiger Überblick über das Energiesystem

Auf der Grundlage der Zugkonfigurationen, die in enger Zusammenarbeit mit der EDDP entwickelt und vereinbart wurden, wird die Energieversorgung über eine durchgehende Zugstromleitung (2 Drähte) erfolgen. Die Zugstromleitung wird über den DAC-E-Koppler angeschlossen. Hier finden wir ein Paar redundanter Kontakte, um die Stromkabel der Fahrzeuge zu verbinden. Mit dieser Zugstromleitung kann eine Zugversorgungseinheit in einer Lokomotive Zugkonfigurationen mit bis zu 50 Waggons und einer Gesamtlänge von bis zu 850 m versorgen. In einem Zug sind bis zu vier Lokomotiven vorgesehen. Die Speisung der Stromleitung erfolgt mit 400 VAC, 50Hz/60Hz und einer maximalen Leistung von 3 kW für ein Segment. Die Zugstromversorgung wird an die interne Stromversorgung der Lokomotiven und an den Lokführer angeschlossen und bietet eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) für die Steuerung und Diagnose. Da die 400 VAC besondere Schutzmaßnahmen erfordern, muss ein Berührungsschutz an den Endpunkten eines Zuges integriert werden, und weitere sicherheitsrelevante Maßnahmen wie Erdschluss-, Überlast- und Kurzschlussschutz werden auf der Lokseite implementiert.

Die Wagen werden direkt an das Stromnetz des Zuges angeschlossen, um die für die elektronischen Komponenten im Wagen benötigte elektrische Energie über die Wagenstromversorgung an jedem Wagen zu entnehmen. Hier wird eine begrenzte Energiemenge (Standard: 50 W) aus der Zugleitung entnommen und im Wagen mit 48 VDC zur Verfügung gestellt. Dies geschieht hauptsächlich über einen AC/DC-Wandler von 400 VAC auf 48 VDC mit begrenzter Leistungsaufnahme. Zusätzlich wird eine Batterie als Energiepuffer eingesetzt, um Ausfälle der Zugstromversorgung in der Lokomotive abzudecken, Kontaktunterbrechungen zu überbrücken oder kurzzeitige Leistungsspitzen für spezielle Anwendungen zur Verfügung zu stellen. In der Zugstromversorgung und in der Wagenstromversorgung werden Energiemanagement- und Überwachungsfunktionen integriert sein.

DACcelerate WP3 hat Rahmenbedingungen für die Entwicklung eines Kommunikationssystems für Güterzüge definiert. Basierend auf den von EDDP definierten Anwendungsfällen für intelligente Güterzüge wurden die Anforderungen an das Kommunikationssystem konsolidiert. Ein besonderer Schwerpunkt wurde auf die Bewertung verschiedener physikalischer Schichten für das zukünftige Kommunikationssystem für Güterzüge gelegt. Infolgedessen wurden zwei physikalische Schichten für die praktische Erprobung empfohlen: 10BASE-T1L Single Pair Ethernet (IEEE802.3cg) und Powerline-PLUS (plctec AG).

Das Kommunikationssystem hat die Aufgabe, einen transparenten, sicheren und geschützten Kommunikationskanal für die im Zug verteilten Anwendungen zu gewährleisten. Dies ermöglicht den Austausch von Informationen innerhalb des Zuges (zuginternes Kommunikationssystem). Die folgende Abbildung 2 gibt einen ersten Überblick über die Gesamtarchitektur des vorgeschlagenen Kommunikationssystems für a) die Single-Pair-Ethernet-Kommunikation und b) das Powerline-PLUSKommunikation.

Für beide Systeme werden wir einen Kommunikationsknoten in den Fahrzeugen haben, der eine Schnittstelle für Anwendungen zur Kommunikation bietet. Das Kommunikationssystem wird einen Masterknoten auf der führenden Lokomotive haben, der bis zu 100 Waggons und 4 Lokomotiven im Zug verwalten kann. Für jeden Wagen bestimmt der Kommunikationsknoten während des Initialisierungsprozesses die Richtung des Fahrzeugs und die Position des Fahrzeugs im Zug. Auf der Grundlage dieser Informationen wird in beiden Systemen ein IP-basiertes Adressierungsschema verwendet. Die Protokolle der oberen Schicht könnten daher für beide physikalischen Schichten, die für praktische Tests empfohlen werden, (fast) identisch sein. Für beide ausgewählten Systeme scheint eine Integration in die IEC 61375 mit einigen Modifikationen möglich zu sein, die in einer der nächsten Revisionen integriert werden.

Überblick über die beiden Kommunikationssystemansätze – Powerline Plus und Single Pair Ethernet

Beim Single-Pair-Ethernet-System basiert die physikalische Schicht auf einem zusätzlichen 2-adrigen Twisted-Pair-Kommunikationskabel, das vom DAC-E-Koppler zum Kommunikationsknoten (Freight Ethernet Train Bus Node, F-ETBN) verlegt wird. Die Technologie bietet eine Bitrate von bis zu 10 Mbit/s. Im E-Koppler werden mindestens zwei Kontaktstellen benötigt, die als redundante Lösung realisiert sind, um die Fahrzeuge zu verbinden. Im F-ETBN ist ein Ethernet-Switching zur Weiterleitung von Nachrichten integriert. Das Single-Pair-Ethernet erlaubt eine Signalübertragung von bis zu 1.000 m, so dass eine rein passive Kabellösung (Bypass-Lösung) in den Knoten integriert werden kann, die bei einem Ausfall des F-ETBN die Kommunikationsleitung überbrückt.

Beim Powerline-PLUS-System basiert die physikalische Schicht auf der bereits installierten Bahnstromleitung für das Stromnetz. Diese Technologie ist in den Powerline Train Bus Knoten (F-PTBN) integriert. Die Nettobitrate (für Anwendungen) des Powerline-PLUS-Systems hängt von der Anzahl der F-BTBNs im System ab. Eine Integritätsfunktion ist jedoch bereits Teil der Schicht 2 des Powerline-PLUS. Da die Stromleitung auf 850 m begrenzt ist, müssen die Lokomotiven eine Routing-Funktion zwischen den verschiedenen Segmenten implementieren. Der Ausfall eines F-PTBN wird direkt durch die durchgehende Zugstromleitung überbrückt.

In der Lokomotive ist die Master-Funktion zur Steuerung des Kommunikationssystems installiert, die mit der HMI verbunden ist. Auch für das elektrische Energie- und Kommunikationssystem wurde eine detailliertere Referenzsystemarchitektur definiert.
Das elektrische Energie- und Kommunikationssystem wird das technische Rückgrat für künftige Automatisierungsfunktionen bilden und die Funktionalitäten heutiger Güterzüge erweitern. Die Realisierung z.B. einer Zugintegritätsfunktion oder eines automatischen Bremstests, unterstützt durch das elektrische Energie- und Kommunikationssystem, erfordert die Definition von Sicherheits-, Zuverlässigkeits- und Verfügbarkeitsanforderungen für diese Systeme. Für die Ableitung dieser Anforderungen wurde eine Safety- und Security-Analyse entwickelt.

Die Definition der zukünftigen betrieblichen DAC-Prozesse wurde in Abstimmung mit großen Eisenbahnunternehmen entwickelt. Gemeinsam mit den Güterbahnbetreibern aus der EDDP wurden betriebliche Abläufe identifiziert, die von der Einführung einer DAC betroffen sind, wie z.B. Abläufe in Rangierbahnhöfen, in Terminals, in Kundengleisen und in Waggonreparaturwerkstätten. Es wurden mehrere Fallstudien entwickelt, in denen der heutige Prozess mit Schraubenkupplung mit dem zukünftigen Prozess mit einem DAC verglichen wurde. DACcelerate hat mehrere Szenarien für die technischen Funktionalitäten des DAC untersucht, ob der Betrieb in den oben genannten unterschiedlichen Situationen machbar ist oder nicht, und hat die Ziel-DAC-Betriebsprozesse definiert.

Zusätzlich hat DACcelerate WP6 die Auswirkungen von ETCS L3, das durch DAC ermöglicht wird, auf den Verkehr und die betrieblichen Leistungen untersucht. Für diesen Verkehr muss ein zuverlässiges und sicheres Zugsicherungssignal geliefert werden. Dies ist für die Einbindung künftiger Güterzüge in das ECTS-System erforderlich und wird ohne ein Energie- und Kommunikationssystem nicht möglich sein. Mit Unterstützung der Projektpartner und Interessengruppen wurden die vielversprechendsten Strecken in den EU-Korridoren ermittelt, d. h. diejenigen, die derzeit von einem hohen Überlastungsgrad betroffen sind. Es wurden Simulationen mit dem Softwaretool OpenTrack durchgeführt, um die quantitativen Vorteile der Einführung von L3 (im Vergleich zu L2) im Detail zu analysieren, mit besonderem Schwerpunkt auf der Fahrzeit. Da zu diesem Zeitpunkt keine detaillierten Daten über reale Abschnitte zur Verfügung standen, wurden die Simulationen auf einer vereinfachten Strecke durchgeführt, die für das Projekt erstellt wurde. Die sehr interessanten Ergebnisse zeigten, dass eine Verbesserung der Fahrzeit um etwa 30 % erreicht werden kann, was ein weiteres Argument für die Notwendigkeit der digitalen automatischen Kupplung für den Schienengüterverkehr in Europa darstellt.

Freight at VIRTUAL VEHICLE

Um das Ziel der Steigerung des Schienengüterverkehrs zu erreichen, werden verschiedene Technologien und Methoden eine wichtige Rolle spielen. Dabei trägt VIRTUAL VEHICLE mit breitem Knowhow aus Department übergreifenden Themen bei.
Über die jahrzehntelange Forschung in den Bereichen Rad-Schiene Kontakt und Fahrdynamiken, werden heute Modelle zur Flotten- und Betriebsoptimierung, Stichworte Smart Maintenance und LCC, erstellt. Ein weiterer Teil im Forschungsfeld Freight ist die Instrumentierung und Erprobung der neuesten Monitoring- und Diagnosesysteme etwa im Thema Load- Monitoring, gemeinsame mit wichtigen Industriepartnern in großen internationalen Konsortien.

DAC ermöglicht Automatisierung, erhöht die Kupplungseffizienz und Sicherheit. Die Realisierung z.B. einer Zugintegritätsfunktion oder eines automatisierten Bremstests, unterstützt durch das elektrische Energie- und Kommunikationssystem, erfordert die Definition von Sicherheits-, Zuverlässigkeits- und Verfügbarkeitsanforderungen für diese Systeme. Für die Ableitung dieser Anforderungen wurde eine RAMS-Analyse durchgeführt. Für die Entwicklung einer geeigneten Methode zur Durchführung der RAMS-Analyse wurden alle relevanten Normen von VIRTUAL VEHICLE untersucht und analysiert und eine geeignete Vorlage und Vorgehensweise zu den Normen erstellt. VIRTUAL VEHICLE untersuchte auch, welche Sicherheitsanalysen für den Eisenbahnsektor geeignet sind und wie sie angewendet werden können.

DACcelerate Digital Automatic Coupling für einen vollständig digitalen Schienengüterverkehr

Das Shift2Rail-Projekt DACcelerate zielt darauf ab, das europäische DAC Delivery Programme (EDDP) zu leiten und direkt zu unterstützen. Ziel ist die erfolgreiche und effektive Umsetzung der digitalen automatischen Kupplung (DAC) in ganz Europa bis 2030.

Die DAC ist eine wichtige Neuerung für den europäischen Schienengüterverkehr und ein Wegbereiter für weitere Komponenten der Zugautomatisierung. Die Einführung von Strom- und Datenleitungen über eine DAC ermöglicht auch die erforderliche Automatisierung von Zugvorbereitungsprozessen wie der Registrierung der Wagenbestellung, der Wagen selbst, der automatischen Bremsprobe oder der technischen Inspektion. Komplexe manuelle Prozesse werden vollständig automatisiert, und ein Güterzug kann in Minuten statt in Stunden abfahrbereit gemacht werden.

Ein Bereich, zu dem VIRTUAL VEHICLE neben seinem Bahnwissen direkt beiträgt, ist die Datenkommunikation. Diese Technologie ermöglicht Güterzügen unter anderem die Implementierung von elektronisch gesteuerten Project-Updates-Bremssystemen. Das bedeutet, dass die Geschwindigkeit erhöht und die Bremswege verkürzt werden können. DACcelerate wird einen Rahmen schaffen und anwenden, der die Identifizierung von Engpässen ermöglicht, ein Mittel für die sektorübergreifende Kommunikation zwischen den Beteiligten bereitstellen und einen konsolidierten Migrationsplan entwickeln, um die einzelnen Herausforderungen zu bewältigen und gleichzeitig die technischen Ansätze und Entwicklungen zu harmonisieren. Um diese Aufgaben effizient zu erfüllen, werden die Bemühungen auf bestehende europäische Strukturen und Aktivitäten mit Relevanz für das EDDP abgestimmt.

Das Konsortium um wichtige Akteure wie ÖBB und SCNF wird von VIRTUAL VEHICLE koordiniert.

This project has received funding from the Shift2Rail Joint Undertaking (JU) under grant agreement No 101046657. The JU receives support from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme and the Shift2Rail JU members other than the Union. The content of this article reflects only the authors view – the Shift2Rail Joint Undertaking is not responsible for any use that may be made of the information it contains.